设计类型（二）：基元类型、引用类型和值类型

本章要讨论的是.net的各种类型。这章开始，我想摒弃以前的抄书模式，尝试自己阅读后先行总结，然后再写博客。

基元类型

所谓基元类型，指的是编译器直接支持的数据类型。基元类型直接映射到Framework类库中存在的类型。下面四行代码可以生成完全相同的IL：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace Program1
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int a = 0;
            Int32 b = 0;
            int c = new int();
            Int32 d = new Int32();
        }
    }
}

再看他们的IL代码：

.method private hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
{
  .entrypoint
  // Code size       10 (0xa)
  .maxstack  1
  .locals init (int32 V_0,
           int32 V_1,
           int32 V_2,
           int32 V_3)
  IL_0000:  nop
  IL_0001:  ldc.i4.0
  IL_0002:  stloc.0
  IL_0003:  ldc.i4.0
  IL_0004:  stloc.1
  IL_0005:  ldc.i4.0
  IL_0006:  stloc.2
  IL_0007:  ldc.i4.0
  IL_0008:  stloc.3
  IL_0009:  ret
} // end of method Program::Main

由此可知，这四个写法是完全等价的。

在本书中，坚持使用FCL名称，主要有以下原因：

1.很多人纠结于使用string还是System.String，其实这两者没有区别。类似的，还有int和Int32：C#的int永远映射到Int32.C#的long固定映射到Int64.

2.FLC的许多方法都将类型名作为方法名的一部分。

3.方便些其他面向CLR的代码（代码风格一致）。

 在高精度基元类型隐式转换到低精度基元类型的时候，往往会进行截断处理（区别于向上取整）。

C#自带checked操作符来在特定的区域控制溢出检查：

　　　　　　　Byte b = 100;
            b = checked((Byte)(b + 200));

会抛出异常：

还可以使用checked语句：

        static void Main(string[] args)
        {
            checked {
                Byte b = 100;
                b = (Byte)(b + 200);
            }
            
        }

结果是一样的。如果使用了checked语句块，还可以将+=应用于Byte：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            checked {
                Byte b = 100;
                b += 200;
            }
            
        }
    }

在日常编程时，给予诸位如下建议：

1.尽量使用有符号数值类型Int32之类而不是UInt32，这样编译器会检查更多的上溢下溢。此外，类库中的很多方法的返回值都是有符号的，这样子可以减少强制类型转换。以及，无符号数值类型不符合CLS。

2.如果代码可能发生溢出，请放到checked语句块中。

3.将允许溢出的代码放到unchecked中。

4.对于没有使用checked和unchecked的代码，溢出默认会抛出异常，

引用类型和值类型

首先，要认清楚四个事实：

1.内存必须从托管堆中分配；

2.堆上的每一个对象都有额外成员，这些成员必须初始化；

3.对象的其他字节总是为零；

4.从托管堆分配对象时，可能强制执行一次GC。

因此，使用引用类型而非值类型的时候，性能会下降。在设计自己的类型时，要考虑是否应该定义成值类型而不是引用类型。除非满足以下全部条件，否则不应该声明为值类型：

1.类型具有基元类型的行为，是不可变类型（没有提供会更改其字段的成员）；

2.不需要从其他任何类型继承；

3.没有派生类型；

4.类型实例较小（小于等于16字节）；

5.实例类型较大，但不作为方法传递实参，也不从方法返回。

列出值类型和引用类型的一些区别：

1.值类型有两种形式：已装箱和未装箱。引用类型总是处于已装箱；

2.值类型从ValueType派生

#region 程序集 mscorlib, Version=4.0.0.0, Culture=neutral, PublicKeyToken=b77a5c561934e089
// C:Program Files (x86)Reference AssembliesMicrosoftFramework.NETFrameworkv4.6.1mscorlib.dll
#endregion

using System.Runtime.InteropServices;
using System.Security;

namespace System
{
    //
    // 摘要:
    //     提供值类型的基类。
    [ComVisible(true)]
    public abstract class ValueType
    {
        //
        // 摘要:
        //     初始化 System.ValueType 类的新实例。
        protected ValueType();

        //
        // 摘要:
        //     指示此实例与指定对象是否相等。
        //
        // 参数:
        //   obj:
        //     要与当前实例进行比较的对象。
        //
        // 返回结果:
        //     如果 obj 和该实例具有相同的类型并表示相同的值，则为 true；否则为 false。
        [SecuritySafeCritical]
        public override bool Equals(object obj);
        //
        // 摘要:
        //     返回此实例的哈希代码。
        //
        // 返回结果:
        //     一个 32 位有符号整数，它是该实例的哈希代码。
        [SecuritySafeCritical]
        public override int GetHashCode();
        //
        // 摘要:
        //     返回该实例的完全限定类型名。
        //
        // 返回结果:
        //     包含完全限定类型名的 System.String。
        public override string ToString();
    }
}

而ValueType继承自System.Object；

3.不能在值类型中加入虚方法，所有的方法都不能抽象，不可重写；

4.引用类型包含了堆中对象的地址。引用类型变量在创建的时候默认初始化为NULL，而值类型总是0。null引用类型会抛出异常。值类型可以添加可空标识；

5.值类型复制是完全拷贝，而引用类型只拷贝地址；

6.修改引用类型，会导致其引用也受到影响；

7.因为值类型是没有被装箱的，所以一旦一个实例不再活动，为它分配的存储就会被释放，而不是等待GC。

拆箱和装箱

这部分是这一章的重中之重之重中之重中重。

很多时候，要获取值类型的实例引用。这也是“什么时候会进行装箱”的答案。

先例举一个简单的例子：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Collections;

namespace Program4
{
    class Program
    {
        internal struct Point {
            private Int32 m_x, m_y;
            public Point(Int32 x, Int32 y) {
                m_x = x;
                m_y = y;
            }
            public void Change(Int32 x, Int32 y)
            {
                m_x = x;
                m_y = y;
            }
            public override String ToString()
            {
                return String.Format("{0}, {1}", m_x.ToString(), m_y.ToString());
            }
        }
        static void Main(string[] args)
        {
            ArrayList a = new ArrayList();
            Point p = new Point(0, 0);
            for (Int32 i = 0; i < 5; i++) {
                p.Change(i, i);
                a.Add(p);
            }
        }
    }
}

本例中的Add方法原型如下 ：

        //
        // 摘要:
        //     将对象添加到 System.Collections.ArrayList 的结尾处。
        //
        // 参数:
        //   value:
        //     要添加到 System.Collections.ArrayList 末尾的 System.Object。该值可以为 null。
        //
        // 返回结果:
        //     value 已添加的 System.Collections.ArrayList 索引。
        //
        // 异常:
        //   T:System.NotSupportedException:
        //     The System.Collections.ArrayList is read-only.-or- The System.Collections.ArrayList
        //     has a fixed size.
        public virtual int Add(object value);

可以看出来，Add要获取的是一个Object，是一个引用类型，但是Point p是一个值类型。为了使代码正确工作，需要将p转换成在堆中托管的对象，以获取对该对象的引用。

这时，就要使用装箱机制。对值类型装箱时发生了如下事情：

1.在托管堆中分配内存。除了值类型各字段所需的内存量，还需要为类型对象指针和同步块索引分配内存空间；

2.值类型的字段拷贝到新分配的内存；

3.返回对象地址。

可以看一下IL代码：

.method private hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
{
  .entrypoint
  // 代码大小       59 (0x3b)
  .maxstack  3
  .locals init (class [mscorlib]System.Collections.ArrayList V_0,
           valuetype Program4.Program/Point V_1,
           int32 V_2,
           bool V_3)
  IL_0000:  nop
  IL_0001:  newobj     instance void [mscorlib]System.Collections.ArrayList::.ctor()
  IL_0006:  stloc.0
  IL_0007:  ldloca.s   V_1
  IL_0009:  ldc.i4.0
  IL_000a:  ldc.i4.0
  IL_000b:  call       instance void Program4.Program/Point::.ctor(int32,
                                                                   int32)
  IL_0010:  nop
  IL_0011:  ldc.i4.0
  IL_0012:  stloc.2
  IL_0013:  br.s       IL_0032
  IL_0015:  nop
  IL_0016:  ldloca.s   V_1
  IL_0018:  ldloc.2
  IL_0019:  ldloc.2
  IL_001a:  call       instance void Program4.Program/Point::Change(int32,
                                                                    int32)
  IL_001f:  nop
  IL_0020:  ldloc.0
  IL_0021:  ldloc.1
  IL_0022:  box        Program4.Program/Point
  IL_0027:  callvirt   instance int32 [mscorlib]System.Collections.ArrayList::Add(object)
  IL_002c:  pop
  IL_002d:  nop
  IL_002e:  ldloc.2
  IL_002f:  ldc.i4.1
  IL_0030:  add
  IL_0031:  stloc.2
  IL_0032:  ldloc.2
  IL_0033:  ldc.i4.5
  IL_0034:  clt
  IL_0036:  stloc.3
  IL_0037:  ldloc.3
  IL_0038:  brtrue.s   IL_0015
  IL_003a:  ret
} // end of method Program::Main

会发现其中有装箱操作。

这里稍微扩展一个，关于for循环在IL中的知识：在IL中，for循环通过两个指令：br.s(无条件地将控制转移到目标指令)和brtrue.s（如果 value 为 true、非空或非零，则将控制转移到目标指令）两个指令实现循环，clt(比较两个值。如果第一个值小于第二个值，则将整数值 1 (int32) 推送到计算堆栈上；反之，将 0 (int32) 推送到计算堆栈上)来控制是否继续循环的那个值。

下面来看拆箱。假定我们要获取ArrayList的第一个元素：

Point p2 = (Point)a[0];

它获取了ArrayList的元素0包含的引用，试图将其放到Point值类型的实例p中。为此，已装箱Point对象中的所有字段都必须复制到值类型变量p2中。为此，已装箱Point对象中的所有字段都必须复制到值类型变量p2中，后者在线程栈上。CLR分两步完成复制：第一步获取已装箱Point对象中哥哥Point字段的地址，这个过程被称为拆箱。第二步就是将字段包含的值从堆复制到基于栈的值类型实例中。

拆箱不是将装箱的过程倒过来。拆箱只是获取指针的过程，该指针指向包含在一个对象中的原始值类型。指针指的是已装箱实例中的未装箱部分。

已装箱值类型的实例在拆箱时，会发生下面的事情：

1.如果包含“对已装箱值类实例的引用”的变量为null，抛出异常；

2.如果引用的对象不是所需值类型以装箱的实例，抛出异常。

第二条的具体情况举例：

            Int32 x = 5;
            Object o = x;
            Int16 y = (Int16)o;

正确的写法应该是：

            Int32 x = 5;
            Object o = x;
            Int16 y = (Int16)(Int32)o;

 再来看一个例子：

            Int32 x = 5;
            Object o = x;
            x = 123;
            Console.WriteLine(x + "," + (Int32)o);

请问在这里总共执行了多少次装箱？

答案是3次。

第一次装箱发生在Object o = x，第二次是WriteLine的x（在WriteLine需要一个String对象，而String是个引用类型。为了将Int32转换成String，需要进行一次装箱操作），第三次是在o进行了一次拆箱操作后，为了获取String，又进行了一次装箱。

可以用下面的写法来避免第二次拆箱和第三次装箱：

Console.WriteLine(x + "," + o);

还可以避免第一次的装箱操作：

Console.WriteLine(x.ToString + "," + o);

虽然未装箱对象没有类型对象指针，但仍可调用由类型继承或重写的虚方法。如果值类型重写了虚方法，那么CLR可以非虚的调用该方法，因为值类型隐式密封，不会有类型派生，而且调用虚方法的值类型没有封装。然而。如果重写的虚方法要调用在基类中的实现的时候，值类型就会装箱，以便通过一个this指针将对一个堆对象的引用传给基方法。将值类型的未装箱实例转型为类型的某个接口时要对实例进行装箱，这是因为接口变量必须包含对堆对象的引用。可以看下面的代码，结合其IL：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Collections;

namespace Program4
{
    class Program
    {
        internal struct Point
        {
            private Int32 m_x, m_y;
            public Point(Int32 x, Int32 y)
            {
               m_x = x;
               m_y = y;
            }
            public void Change(Int32 x, Int32 y)
            {
                m_x = x;
                m_y = y;
            }
            public override String ToString()
            {
                return String.Format("{0}, {1}", m_x.ToString(), m_y.ToString());
            }
        }
        static void Main(string[] args)
        {
            Point p = new Point(0, 0);
            Console.WriteLine(p);
            p.Change(1, 2);
            Console.WriteLine(p);
            object o = p;
            Console.WriteLine(o);
            ((Point)o).Change(3, 3);
            Console.WriteLine(o);
        }
    }
}

.method private hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
{
  .entrypoint
  // Code size       84 (0x54)
  .maxstack  3
  .locals init (valuetype Program4.Program/Point V_0,
           object V_1,
           valuetype Program4.Program/Point V_2)
  IL_0000:  nop
  IL_0001:  ldloca.s   V_0
  IL_0003:  ldc.i4.0
  IL_0004:  ldc.i4.0
  IL_0005:  call       instance void Program4.Program/Point::.ctor(int32,
                                                                   int32)
  IL_000a:  nop
  IL_000b:  ldloc.0
  IL_000c:  box        Program4.Program/Point
  IL_0011:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(object)
  IL_0016:  nop
  IL_0017:  ldloca.s   V_0
  IL_0019:  ldc.i4.1
  IL_001a:  ldc.i4.2
  IL_001b:  call       instance void Program4.Program/Point::Change(int32,
                                                                    int32)
  IL_0020:  nop
  IL_0021:  ldloc.0
  IL_0022:  box        Program4.Program/Point
  IL_0027:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(object)
  IL_002c:  nop
  IL_002d:  ldloc.0
  IL_002e:  box        Program4.Program/Point
  IL_0033:  stloc.1
  IL_0034:  ldloc.1
  IL_0035:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(object)
  IL_003a:  nop
  IL_003b:  ldloc.1
  IL_003c:  unbox.any  Program4.Program/Point
  IL_0041:  stloc.2
  IL_0042:  ldloca.s   V_2
  IL_0044:  ldc.i4.3
  IL_0045:  ldc.i4.3
  IL_0046:  call       instance void Program4.Program/Point::Change(int32,
                                                                    int32)
  IL_004b:  nop
  IL_004c:  ldloc.1
  IL_004d:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(object)
  IL_0052:  nop
  IL_0053:  ret
} // end of method Program::Main

对象哈希码

FLC的设计者认为，如果能将对象的任何实例放到哈希表集合中，能带来很多好处。为此，System.Object提供了虚方法GetHashCode，能获取任意对象的Int32的哈希码。所以，如果重写了Equals方法，一定要重写GetHashCode方法。